Диагностика параметров сердечнососудистой системы и электроэнцефалограммы человека при цветомузыкальном воздействии с помощью методов обработки биомедицинских изображений на основе программного обеспечения
Usanova L.D., Usanova A.D.
Способ визуализации музыкального произведения
Как слабослышащим и глухим людям двигаться в такт музыки? В то время как слабослышащие люди могут воспринимать музыку в определенной степени, глухие люди воспринимают музыку только лишь через вибрации стен, пола, воздуха. Однако всего этого не достаточно, чтобы четко уловить ритм, почувствовать характер мелодии. В связи с этим целью настоящей работы являлась разработка инновационного способа визуализации музыкального произведения, реализующего возможность более качественного восприятия музыки, исследование с помощью методов обработки биомедицинских изображений характера изменений тонуса регуляторных систем по данным электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в процессе цветомузыкального воздействия на пациентов.
Впервые реализован принципиально новый способ воспроизведения музыкального произведения в цвете. Разработка позволяет получать однозначную идентификацию звукового ряда по визуальному сопровождению в реальном времени, реализуя возможность более качественного восприятия музыки. Способ основан на системе соответствия нот цветам, удовлетворяющей принципу индивидуальности каждого музыкального произведения. Имеется программное обеспечение, действующая модель.
В отличие от зарубежных аналогов реализует возможность однозначной идентификации музыкального произведения цветом, что способствует более эффективному восприятию музыки. Так в решении (патент GB 2370794 A, опубл. 10.07.2002) не достигается однозначная идентификация музыки в цвете из-за отсутствия разбиения экрана на совокупность цветовых фигур при воспроизведении аккордов и однозначного соответствия конкретных цветов спектра “промежуточным нотам” (диезам/бемолям). Программное обеспечение Winamp американской фирмы AOL LLC также не отвечает главной задачи проекта – однозначной идентификации музыкального произведения по визуальному сопровождению, поскольку направлено лишь на достижение зрелищного эффекта в развлекательных целях.
Анализ влияния цветомузыкального воздействия на параметры сердечно-сосудистой системы человека
В ходе исследований фиксировались формы электрокардиосигнала и его спектр, индексы Баевского до и в момент воздействия. Для этого осуществлялась запись электрокардиограммы компьютерным электрокардиографом «Полиспектр 8/12», разработанным фирмой «Нейрософт» (г. Иваново). Кардиограф подключался к компьютеру, что позволяло следить за параметрами ЭКГ при воздействии на пациента цветомузыкальным сигналом. С помощью специально разработанной программы можно было осуществлять детальное построение электрокардиосигнала и его спектра. Перед проведением исследований, пациент располагался на кушетке и находился в состоянии покоя в течение 15 минут. Измерялась ЭКГ при цветомузыкальном воздействии и в его отсутствии. Осуществлялась обработка результатов исследований: построение ЭКГ, спектра ЭКГ, расчет параметров вегетативной нервной системы по ЭКГ.
Исследования проводились в группе из десяти пациентов в возрасте от 20 до 26 лет, при их добровольном информированном согласии.
Формы электрокардиограмм, зафиксированных для пациентов во время цветомузыкального воздействия, отличаются от аналогичных ЭКГ без цветомузыкального воздействия. В частности, у обследуемых пики R-R кардиоинтервалов наблюдаются значительно чаще во время цветомузыкального воздействия, чем у R-R кардиоинтервалов без цветомузыкального воздействия. Для всех пациентов до- и во время цветомузыкального воздействия было зафиксировано уменьшение времени между S-T-экстремумами. Изменялась также и форма самого кардиосигнала, что свидетельствует об измененном характере формирования электрических биопотенциалов в сердечной мышце. Во время цветомузыкального воздействия наблюдалось также существенное изменение амплитуды шумовой составляющей ЭКГ. Для регистрации активности нервной вегетативной регуляции, проявляющейся в изменении показателей временных параметров электрокардиосигнала, т.е. в изменении длительности R-R интервалов, определялись индексы Баевского до и во время цветомузыкального воздействия [3, 4]. В таблице 1. представлены усредненные индексы Баевского для пациентов, подвергавшихся цветомузыкальному воздействию и в его отсутствии.
Таблица 1. Усредненные индексы Баевского для пациентов, подвергавшихся цветомузыкальному воздействию и в его отсутствии.
Состояние без воздействия | Состояние под цветомузыкальным воздействием | ||
Параметр | Значение | Параметр | Значение |
ЧСС, уд./мин. | 63 | ЧСС, уд./мин. | 75 |
М, с | 0,955 | М, с | 0,808 |
СК, с² | 0,0642 | СК, с² | 0,0505 |
Мо, с | 0,967 | Мо, с | 0,814 |
АМо, % | 36,7 | АМо, % | 33,3 |
Ме, с | 0,914 | Ме, с | 0,806 |
ВР, с | 0,301 | ВР, с | 0,235 |
ИВР, у.е. | 122 | ИВР, у.е. | 142 |
ПАПР, у.е. | 37,9 | ПАПР, у.е. | 41 |
ВПР, у.е. | 3,43 | ВПР, у.е. | 5,22 |
ИН, у.е. | 63 | ИН, у.е. | 86,9 |
Известно, что в ответ на любой раздражитель эндогенной или экзогенной природы в живом организме возникают реакции, являющиеся по своей сути защитно-приспособительными (адаптационными). Характер этих реакций определяется, прежде всего, изменениями нервной и гуморальной регуляции кровообращения, которые предшествуют энергетическим сдвигам [3, 4]. Наиболее доступным для регистрации защитно-приспособительных реакций физиологическим параметром, отражающим процессы вегетативной регуляции в сердечно-сосудистой системе и организме в целом, является ритм сердечных сокращений. Изменение вариабельности ритма сердца, по мнению авторов [4], может быть связано с интенсивностью процессов активации отделов вегетативной нервной системы по отношению к сердечно-сосудистой системе и позволяет судить о степени адаптационной реакции организма на то или иное воздействие в целом. При этом главная функция вегетативной нервной системы заключается в поддержании постоянства внутренней среды (или гомеостаза), при различных воздействиях на организм. На основе функциональных различий в вегетативной нервной системе выделяют два отдела — симпатический и парасимпатический. При повышении тонуса симпатической нервной системы в ответ на внешний раздражитель усиливаются сердечные сокращения и учащается их ритм.
Было установлено, что во время цветомузыкального воздействия средняя частота сердечных сокращений (ЧСС, ударов/минуту) у пациентов значительно увеличивается. Значение индекса М (математическое ожидание (М), которое отражает конечный результат всех регуляторных влияний на сердце и систему кровоснабжения в целом) до и во время цветомузыкального воздействия для пациентов составило соответственно 0,955 и 0,808. Индекс Мо (мода– наиболее часто встречающееся значение R-R-интервалов, указывающее на доминирующий уровень функционирования синусового узла) при цветомузыкальном воздействии для пациентов уменьшается со значения 0,967 до 0,814, ВПР (вегетатиный показатель ритма, который позволяет судить о парасимпатических сдвигах вегетативного баланса) увеличивается со значения 3,43 до 5,22. Такое изменение данных параметров позволяет говорить об активации симпатической нервной системы [3, 4]. Другие индексы, например АМо (амплитуда моды–число кардиоинтервалов (в %), соответствующих диапазону моды, отражающее меру мобилизирующего влияния симпатического отдела), ВР (вариационный размах, который вычисляется как разница между максимальным и минимальным значениями R-R) также свидетельствуют о смещении вегетативного баланса в симпатическую сторону тогда, как ИВР (индекс вегетативного равновесия, который указывает на соотношение между активностью симпатического и парасимпатического отделов), ПАПР (показатель адекватности процессов регуляции, который отражает соответствие между активностью симпатического отдела ВНС и ведущим уровнем функционирования синусового узла), свидетельствуют о смещение вегетативного баланса в парасимпатическую сторону.
Таким образом, в ходе экспериментальных исследований влияния цветомузыкального воздействия на параметры сердечно-сосудистой системы человека при помощи электрокардиографа «Полиспектр 8/12» нами было установлено, что при цветомузыкальном воздействии на пациента наблюдаются изменения характера электрокардиограммы и ее спектра, проявляющиеся в изменении длительности соответствующих участков электрокардиограммы и их амплитудных значений, а также амплитуды шумовой составляющей ЭКГ, при этом цветомузыкальное воздействие на человека приводит к увеличению уровня тонуса симпатической и парасимпатической нервной системы в регуляции сердечной активности и одновременно к увеличению шумовых составляющих спектра ЭКГ, а также к значительному сдвигу частоты сердцебиения. Эффект от цветомузыкального воздействия на ЭКГ существенно превышал суммарный эффект от воздействия звуком и цветом в отдельности.
Анализ влияния цветомузыкального воздействия на параметры электроэнцефалограммы человека
В результате исследований ЭЭГ человека при звуковом, визуальном и цветомузыкальном воздействиях с помощью установки “СПЭГ-НСФТ” на основе программного обеспечения были выявлены достоверные изменения в биоэлектрической активности мозга человека, изменения спектральной мощности альфа-ритма. Нами было установлено, что после цветовой стимуляции у большинства испытуемых регистрируется замедленный альфа-ритм, что свидетельствует об оптимизирующем влиянии анализируемого цветового воздействия на функциональное состояние обследованных лиц, при этом звуковое и цветомузыкальное воздействия вызывают у обследуемых более значительный отклик. То есть, эффект от цветомузыкального воздействия на ЭЭГ превышал эффект от воздействия звуком и цветом.
Анализ влияния цветомузыкального воздействия на параметры дыхания и сердцебиения человека
Биометрический мониторинг физиологических параметров человека с использованием радиоволнового дистанционного зондирования может быть применен как для наблюдения за тяжело больными пациентами, например в ожоговых центрах, при поиске пострадавших при природных и техногенных катастрофах, так и для контроля биометрических параметров, характеризующих движения человека, связанные с дыханием и сердцебиением [5, 6].
В основу метода контроля периодических движений грудной клетки, вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений, с помощью автодина на диоде Ганна положена зависимость изменения режима его работы под действием СВЧ-сигнала, отраженного от грудной клетки пациента.
Для направленного зондирования грудной клетки пациента СВЧ-датчик автодина снабжен рупорной антенной. При периодическом движении грудной клетки, вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений, изменяется амплитуда и фаза отраженного СВЧ-сигнала, который детектируется автодином на диоде Ганна. Высокая чувствительность автодинного измерителя и математическая обработка результатов с помощью специального программного обеспечения, позволяет проводить измерения частоты и формы движение грудной клетки вследствие сердечных сокращений на расстояниях до 50 см.
Переменная составляющая продетектированного сигнала содержит информацию о частоте и амплитуде движений грудной клетки человека, вследствие дыхательных движений и сердечных сокращений. Для получения количественных характеристик анализировались спектральные составляющие переменного сигнала по оригинальной методике.
Конструктивно измерительный прибор состоит из выносного датчика автодина, снабженного рупорной антенной, подключенного через АЦП к персональному компьютеру.
Программная часть измерительного прибора включает специализированную программу "MicrowaveMeter.exe", функционирующую в среде WindowsXP и осуществляющую вывод на экран монитора переменной составляющей продетектированного СВЧ-сигнала и результат спектральной обработки сигнала. Программа позволяет оператору по измеренным спектральным составляющим с учетом выбранных методик определить амплитуду и частоту дыхательных движений и сердечных сокращений обследуемого.
Нами были проведен биометрический мониторинг физиологических параметров человека: периодических смещений грудной клетки, характеризующих движения человека, связанные с дыханием и сердцебиением (дыхательные движения и сердечные сокращения), с использованием СВЧ-автодина на диоде Ганна при визуальном, звуковом и цветомузыкальном воздействиях. Частота дыхательных движений при визуальном воздействии составила: 15,56 взд./мин., амплитуда дыхательных движений – 3,9 мм, при звуковом: 21,97 взд./мин и 2,69 мм, при цветомузыкальном: 29,3 взд./мин. и 2 мм. В ходе исследований было установлено, что эффект от цветомузыкального воздействия существенно превышал эффект от воздействия звуком и цветом, что отвечает результатам, полученным нами ранее с применением других методов исследования физического состояния человека на основе программного обеспечения.
Анализ влияния цветомузыкального воздействия на скорость распространения пульсовой волны человека
В ходе экспериментальных исследований влияния цветомузыкального воздействия на скорость распространения пульсовой волны (СРПВ) с помощью программной обработки было зарегистрировано наиболее значительное увеличение СРПВ в случае воздействия звуком и цветом одновременно – при цветомузыкальном воздействии, при этом эффект от цветомузыкального воздействия существенно превышал даже суммарный эффект от воздействия звуком и цветом в отдельности.
Результаты исследований
Показана возможность нового способа воспроизведения музыкального произведения в цвете, реализующего принцип однозначной идентификации музыки по визуальному сопровождению. Были проведены исследования характера изменений тонуса регуляторных систем по данным электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в процессе цветового, звукового и цветомузыкального воздействий на пациентов с помощью методов обработки биомедицинских изображений. Для исследований использовался разработанный нами инновационный способ визуализации музыкального произведения.
Показано, что цветомузыкальное воздействие на человека приводит к увеличению уровня тонуса симпатической и парасимпатической нервной системы в регуляции сердечной активности и одновременно к уменьшению шумовых составляющих спектра электрокардиограммы. Как следует из полученных результатов, наблюдается различная величина изменения частоты сердцебиений в результате цветового, звукового и цветомузыкального воздействия, при этом наиболее значительный сдвиг ЧСС наблюдался именно при цветомузыкальном воздействии так, что эффект от цветомузыкального воздействия существенно превышал суммарный эффект от воздействия звуком и цветом в отдельности. В ходе исследований влияния цветомузыкального воздействия на параметры электроэнцефалограммы, дыхания и сердцебиения человека, на скорость распространения пульсовой волны эффект от цветомузыкального воздействия существенно превышал эффект от воздействия звуком и цветом. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования описанного способа визуализации музыкального произведения с целью повышения качества восприятия музыки.
Отсутствие аналогов (либо наличие существенных преимуществ перед аналогами), а также высокое качество продукции, планируемой к выпуску, делают соответствующие сектора внутреннего рынка открытыми для продукции. Проект может быть использован при организации развлекательных мероприятий, в медицине (аудиовизуальные методы коррекции функционального состояния человека, воздействие на психофизиологическое и эмоциональное состояние человека), при обучении в музыкальных школах. Одним из направлений применения комплекса может быть его использование слабослышащими людьми для восприятия музыки при помощи цвета. Характеристики и преимущества нашей разработки: простота, эффективность, возможность применения в медицине, при обучении, низкая стоимость при реализации в виде DVD дисков. Возможна продажа лицензии. Финансовый анализ показывает, что длительность получения дохода от разработки при реализации свыше 5 лет. Рентабельность проекта (IRR): 20%. В настоящее время проект находится на завершающей стадии НИОКР (второй год финансирования в рамках выполнения гранта по программе “У.М.Н.И.К.” Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научной сфере, Госконтракт № 000р/8856). Для реализации данного проекта создано малое предприятие ООО “Линкорп”.
Проект имеет многочисленные награды и медали Международных и Всероссийских конкурсов и выставок изобретений, среди них: Бронзовая медаль 59-ой Международной выставки «Идеи-изобретения-инновации», Нюрнберг, Германия за проект «Способ визуализации музыкального произведения»; Кубок “Женщина-изобретатель” Международного салона изобретений и новых технологий “Новое время”, Севастополь, 2008 г.; Серебряная медаль Международного салона изобретений и новых технологий “Новое время”, Севастополь, 2008 г.; Золотая медаль Международного салона изобретений, Корея, Сеул, 11-15 декабря 2008. ; Серебряная медаль XI Международной выставки изобретений 16 - 19 октября 2008 г. Сучжоу, Китайская Народная Республика.; Диплом III-й степени и бронзовая медаль VII Московского международного салона инноваций и инвестиций.; Диплом III-й степени и бронзовой медалью VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций и др.
Литература
1. Патент на изобретение РФ № 000. Способ воспроизведения музыкального произведения в цвете / , , Скрипаль . 20.03.2007. Бюл. №8.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы РФ А.с. № 000 Цветомузыкалиный центр (цветомузыка) / , , Борисов . 06.03.07.
3. , , Погорецкий вариабельности ритма сердца в клинической практике –Киев, 2002. 192 с.
4. М, , Клецкин анализ изменений сердечного ритма при стрессе – М.: Наука, 1984. 221 с.
5. , Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. и др. Радиоволновая интерферометрия движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2005. №11–12. С. 44–51.
6. Патент на изобретение РФ № 000. Способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма / , Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. и др. Опубл. 27.03.2007. Бюл. № 9.
